Het Nederlandse ruimte-instrument TROPOMI levert dagelijks een mondiale kaart van methaanconcentraties. Dat is belangrijk, omdat methaan voor een kwart bijdraagt aan de klimaatopwarming. Een aantal individuele bronnen lekt grote hoeveelheden methaan en vormt daarmee het laaghangend fruit in de strijd tegen klimaatverandering. Onderzoekers van SRON zijn er nu in geslaagd om die methaanpluimen met behulp van machine learning (AI) te ontdekken. De zo gevonden superuitstoters hebben een klimaatimpact die groter is dan die van heel Nederland. 
Methaan is een bijzonder relevant broeikasgas. Dat komt door het sterke vermogen van methaan om warmtestraling vast te houden die normaal gesproken de ruimte in zou verdwijnen. Ter vergelijking: een ton uitgestoten methaan houdt dertigmaal meer warmte vast dan een ton uitgestoten CO2, gemeten over een eeuw (GWP-100). En dat terwijl methaan veel sneller dan CO2 uit de atmosfeer verdwijnt, na ongeveer tien jaar.
Dat laatste biedt een kans om klimaatmaatregelen te nemen die relatief snel effect hebben. Reductie van methaanuitstoot levert na tien jaar een daadwerkelijke reductie op van wereldwijde methaanconcentraties, en dus een minder versterkt broeikaseffect. Zogenoemde superuitstoters vormen hierin het laaghangende fruit. Sommige olie- en gasinstallaties, kolenmijnen en vuilnisbelten stoten namelijk enorme hoeveelheden methaan uit. Relatief eenvoudige reparaties kunnen daardoor grote klimaatwinst opleveren. Maar dan moeten deze superuitstoters wel gevonden worden.
Het Nederlandse TROPOMI-instrument is het enige ruimte-instrument dat elke dag een mondiale kaart met methaanconcentraties produceert. Nu hebben wetenschappers van het Nederlandse ruimteonderzoeksinstituut SRON een methode ontwikkeld waarbij ze in deze kaarten automatisch methaanpluimen ontdekken via machine learning. Vervolgens berekenen ze ook automatisch de omvang van hun uitstoot op basis van de gemeten concentraties en actuele windsnelheden.
‘Eerst pikten we handmatig de grootste uitstoters eruit, maar het blijft lastig zoeken in de miljoenen TROPOMI pixels,’ zegt eerste auteur Berend Schuit (SRON). ‘Een methaanpluim is vaak maar een paar pixels groot. Nu krijgen we elke dag automatisch een lijst met detecties uit het machine learning model. Die controleren we iedere week handmatig om zeker te zijn van onze zaak. Wat overblijft, wekelijks tientallen methaanpluimen, publiceren we online. Lekken die persistent zijn verwijzen we door naar andere satellieten met hogere resolutie, om de precieze uitstoter te vinden. Deze informatie wordt gebruikt door het International Methane Emissions Observatory van de Verenigde Naties om samen met de verantwoordelijke bedrijven of overheden een oplossing te vinden.’
‘De tientallen methaanpluimen die TROPOMI elke week oppikt bieden een gouden kans in de strijd tegen klimaatverandering,’ zegt medeauteur Bram Maasakkers (SRON). ‘Als je het vanuit de ruimte kunt zien, is het serieus. We krijgen nu voor het eerst een goed wereldwijd beeld van deze super-uitstoters. In onze publicatie beschrijven we de 2974 pluimen die we in 2021 hebben gevonden; 45% daarvan komen van de olie en gas industrie maar we zien ook pluimen van stedelijke gebieden (35%) en kolenmijnen (20%). Wij detecteren door de mens veroorzaakte uitstoot met een klimaatimpact die aanzienlijk groter is dan die van heel Nederland. In veel gevallen zijn die lekken eenvoudig te dichten.’
Tropomi is een samenwerking tussen Airbus Netherlands, KNMI, SRON en TNO, in opdracht van het NSO en ESA. Airbus Netherlands is hoofdaannemer voor het ontwerp en de bouw van het instrument. De wetenschappelijke leiding is in handen van het KNMI en SRON. TNO is verantwoordelijk voor het optisch ontwerp en de integratie. Tropomi wordt gefinancierd door het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat, het Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap en het Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat.
Caption header image: Overzicht van alle methaanpluimen van super-uitstoters die TROPOMI in 2021 heeft gedetecteerd. Linksonder: TROPOMI detecteert een methaanpluim boven een olie-exploitatie gebied. Rechtsonder: Een GHGSat-waarneming, gedaan op basis van eerdere TROPOMI-detecties in het gebied, onthult emissies van een niet-aangestoken fakkel.
Publicatie
Schuit, B. J., Maasakkers, J. D., Bijl, P., Mahapatra, G., van den Berg, A.-W., Pandey, S., Lorente, A., Borsdorff, T., Houweling, S., Varon, D. J., McKeever, J., Jervis, D., Girard, M., Irakulis-Loitxate, I., Gorroño, J., Guanter, L., Cusworth, D. H., and Aben, I.: Automated detection and monitoring of methane super-emitters using satellite data, Atmos. Chem. Phys., 23, 9071–9098, https://doi.org/10.5194/acp-23-9071-2023, 2023.
Methane super-emitters revealed weekly using satellites and machine learning
The Dutch space instrument TROPOMI provides daily global methane concentration maps. This is important because methane is responsible for about a quarter of present-day global warming. There are individual sources that leak large amounts of methane, making them the low-hanging fruit in the fight against climate change. Researchers at SRON now successfully detect those methane plumes using machine learning (AI). The so-identified methane super-emitters have a larger climate impact than Dutch greenhouse gas emissions.
Methane is an extremely relevant greenhouse gas. This is due to methane’s ability to very effectively trap heat radiation that would normally dissipate into space. A ton of emitted methane retains thirty times more heat than a ton of CO2 over the course of a century despite methane’s much shorter lifetime (about 10 years) in the atmosphere.
The latter offers an opportunity to take climate measures that have an effect relatively quickly. Reducing methane emissions will result in an actual reduction of global methane concentrations within ten years, and thus a less enhanced greenhouse effect. So-called super-emitters represent the low-hanging fruit when it comes to emission reduction. Some oil and gas facilities, coal mines and landfills emit enormous amounts of methane. Relatively simple repairs can therefore yield major climate gains. But first, these super-emitters need to be found.
The Dutch TROPOMI instrument is the only satellite instrument that produces a global map of methane concentrations every day. Researchers from SRON Netherlands Institute for Space Research have now developed an algorithm that automatically discovers methane plumes in these maps using machine learning. It also automatically calculates the associated emissions based on the measured concentrations and concurrent wind speeds.
‘Before, we manually identified the largest emitters, but it remains difficult to search through the millions of TROPOMI pixels,’ says first author Berend Schuit (SRON). ‘A methane plume often only covers a few pixels. We now automatically get a list of detections from the machine learning model every day. We check those manually every week to make sure we are confident about the detections. What remains, dozens of methane plumes every week, we publish online. We communicate persistent leaks to other satellites with higher resolution so they can precisely identify the source. This information is used by the United Nations’ International Methane Emissions Observatory to find a solution together with the responsible companies or authorities.’
‘The dozens of methane plumes that TROPOMI detects every week really present a golden opportunity in the fight against global warming,’ says co-author Bram Maasakkers (SRON). ‘If it’s visible from space, it is serious. For the first time, we now get a good global picture of these super-emitters. In our publication, we describe the 2,974 plumes that we found in 2021; 45% originate from oil and gas facilities but we also see plumes from urban areas (35%) and coal mines (20%). We detect human-made emissions with a climate impact that is significantly larger than total greenhouse gas emissions of The Netherlands. In many cases, those leaks are easy to fix.’
Caption header image: Overview of all 2021 methane super-emitter plumes detected using TROPOMI. Highlighted is a TROPOMI-observed plume from an oil exploitation area. A GHGSat observation, targeted based on earlier TROPOMI detections in the area, reveals emissions from an unlit flare.
Publication
Schuit, B. J., Maasakkers, J. D., Bijl, P., Mahapatra, G., van den Berg, A.-W., Pandey, S., Lorente, A., Borsdorff, T., Houweling, S., Varon, D. J., McKeever, J., Jervis, D., Girard, M., Irakulis-Loitxate, I., Gorroño, J., Guanter, L., Cusworth, D. H., and Aben, I.: Automated detection and monitoring of methane super-emitters using satellite data, Atmos. Chem. Phys., 23, 9071–9098, https://doi.org/10.5194/acp-23-9071-2023, 2023.